JP5207275B2 - Positive electrode active material for secondary battery, positive electrode for secondary battery and secondary battery using the same - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池用正極活物質に関し、リチウム二次電池あるいはリチウムイオン二次電池に用いる、高容量でかつ充放電特性、特に高温におけるサイクル寿命および容量保存特性・自己放電性を改善した二次電池用正極活物質に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a secondary battery, and is used for a lithium secondary battery or a lithium ion secondary battery with high capacity and improved charge / discharge characteristics, particularly cycle life at high temperature and capacity storage characteristics / self-discharge characteristics. The present invention relates to a positive electrode active material for a secondary battery.
リチウムイオン二次電池は、リチウムをドープ、脱ドープすることができる炭素質材料等やリチウムおよびリチウムと合金を形成する金属材料を活物質とした負極と、リチウムと遷移金属酸化物との複合酸化物を活物質とした正極が用いられており、それぞれ帯状の負極側集電体、正極集電体に塗布してセパレータを介して積層したものを、外装材で被覆するか、あるいはこれらを積層したものを渦巻状に巻回した巻回体を電池缶内に収容して電池を製造している。この正極に用いられる正極活物質としては、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物等のリチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。 Lithium-ion secondary batteries are a composite oxidation of lithium and transition metal oxides with a negative electrode using a carbonaceous material that can be doped or dedoped with lithium, or a metal material that forms an alloy with lithium and lithium. A positive electrode using an active material as an active material is used. Each of the strip-like negative electrode side current collector and the positive electrode current collector, which is applied and laminated via a separator, is covered with an exterior material or laminated. A battery is manufactured by accommodating a wound body obtained by winding the product in a spiral shape in a battery can. As the positive electrode active material used for this positive electrode, a composite oxide of lithium and a transition metal such as lithium cobalt oxide and lithium nickel oxide is used.
なかでも、リチウムマンガン酸化物は、リチウムコバルト酸化物に比べて過充電状態などでも安全性が高く、しかも、マンガンがコバルトに比べ可採埋蔵量が豊富であるという特徴を有している。 In particular, lithium manganese oxide is characterized by higher safety in an overcharged state or the like than lithium cobalt oxide, and moreover, manganese is richer in recoverable reserves than cobalt.
リチウムマンガン酸化物は化学式LiMn2O4で表されるスピネル構造をとり、λ−MnO2との組成間で4V級の正極材料として機能する。スピネル構造のマリチウムンガン酸化物はリチウムコバルト酸化物が有するような層状岩塩構造とは異なる三次元のホスト構造を持つため、理論容量のほとんどが使用可能であり、サイクル特性に優れることが期待される。 Lithium manganese oxide has a spinel structure represented by the chemical formula LiMn 2 O 4 and functions as a 4V-class positive electrode material between the composition and λ-MnO 2 . Since spinel-structured martyungan oxide has a three-dimensional host structure that is different from the layered rock salt structure of lithium cobalt oxide, most of the theoretical capacity can be used and it is expected to have excellent cycle characteristics. The
ところが、リチウムマンガン酸化物を用いた二次電池は高温で充放電サイクルを繰り返すことによる容量劣化と、自己放電による保存容量の減少するという問題点があった。また、電力貯蔵あるいは、電気自動車電源等の大電流が要求される電池には、低抵抗であるとともに、抵抗が長期にわたり上昇しないことが求められている。 However, secondary batteries using lithium manganese oxide have a problem of capacity deterioration due to repeated charge / discharge cycles at high temperatures and a decrease in storage capacity due to self-discharge. In addition, a battery that requires a large current, such as power storage or an electric vehicle power source, is required to have a low resistance and a resistance that does not increase over a long period of time.
そこで、リチウムマンガン酸化物の一部の構成元素を置換したり、あるいはリチウムの割合がLiMn2O4よりもリチウムの割合が多いリチウムマンガン複合酸化物を使用する等の方法によってその特性を改善することが数多く提案されている。
また、リチウムマンガン酸化物にMg,Al,Co,Ni,K,Na,Ca,Si,Fe,Cu,Zn,Ti,Sn,V,Ge,Ga,B,P,Se,Bi,As,Zr,Mn,Cr,Srから選ばれる少なくとも一種以上の元素を導入することが提案されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、サイクル特性、高エネルギー密度、電極抵抗の上昇率等の特性は満足するものではなかった。
Moreover, Mg, Al, Co, Ni, K, Na, Ca, Si, Fe, Cu, Zn, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, P, Se, Bi, As, and Zr are added to lithium manganese oxide. It has been proposed to introduce at least one element selected from Mn, Cr, Sr (for example, Patent Document 1).
However, characteristics such as cycle characteristics, high energy density, and increase rate of electrode resistance are not satisfactory.
リチウムマンガン複合酸化物を正極に用いたリチウムイオン電池において、リチウムマンガン酸化物の熱安定性等の特性を保持し、電池特性、特に長期高温充放電サイクル特性、長期保存特性が優れ、電気抵抗の上昇が小さな非水電解液二電池を提供することを課題とするものである。 In lithium ion batteries using lithium manganese composite oxide as the positive electrode, the lithium manganese oxide retains the characteristics such as thermal stability, has excellent battery characteristics, especially long-term high-temperature charge / discharge cycle characteristics, long-term storage characteristics, It is an object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte two battery with a small increase.
本発明は、化学式1:Li1+xMn2-x-y-z-wAlyCozCawO4(0.05≦x<0.25、0.01<y<0.2、0.01<z<0.2、0.005≦w<0.1、x+y+z+w<0.4)で表されるスピネル型構造のカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物を含む二次電池用正極活物質と、さらに水素イオン捕捉剤を含む二次電池用正極である。
また、前記の二次電池用正極において、前記水素イオン捕捉剤は、リチウムニッケル複合酸化物である二次電池用正極である。
また、前記に記載の二次電池用正極において、前記二次電池用正極中における前記リチウムマンガン複合酸化物の含有量を(100−a)質量部とし、前記二次電池用正極中における前記リチウムニッケル複合酸化物の含有量をa質量部としたとき、3<a≦45を満たす二次電池用正極である。
前記のいずれかに記載の二次電池用正極と、電解質と、セパレータと、該電解質および該セパレータを介して該二次電池用正極と対向配置された負極とを備える二次電池である。
前記電解質は、LiPF6またはLiBF4を含む支持塩と、有機溶媒とを含有する非水電解質である前記の二次電池である。
The present invention is represented by chemical formula 1: Li1 + xMn2-xyz-wAlyCozCawO4 ( 0.05 ≦ x <0.25, 0.01 <y <0.2, 0.01 <z <0.2, 0.005 ≦ w). <0.1, x + y + z + w <0.4) The positive electrode active material for a secondary battery including a calcium-aluminum-cobalt-containing lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a secondary battery including a hydrogen ion scavenger It is a positive electrode.
Moreover, the said positive electrode for secondary batteries WHEREIN: The said hydrogen ion scavenger is a positive electrode for secondary batteries which is a lithium nickel complex oxide.
Further, in the positive electrode for a secondary battery described above, the lithium manganese composite oxide content in the positive electrode for a secondary battery is (100-a) parts by mass, and the lithium in the positive electrode for a secondary battery is When the content of the nickel composite oxide is a part by mass, the secondary battery positive electrode satisfies 3 <a ≦ 45.
A secondary battery comprising the positive electrode for a secondary battery according to any one of the above, an electrolyte, a separator, and a negative electrode disposed to face the positive electrode for a secondary battery via the electrolyte and the separator.
In the secondary battery, the electrolyte is a nonaqueous electrolyte containing a supporting salt containing LiPF 6 or LiBF 4 and an organic solvent.
本発明の二次電池用の正極活物質である化学式1:Li1+xMn2-x-y-z-wAlyCozCawO4(0.03<x<0.25、0.01<y<0.2、0.01<z<0.2、0<w<0.1、x+y+z+w<0.4)で表されるカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウム・マンガン複合酸化物は、リチウムが過剰にドープされており、更にアルミニウム、コバルト、カルシウム置換により結晶構造の安定化が図られており、マンガン溶出や電解液との反応や酸素放出等が従来のリチウム・マンガン複合酸化物よりも抑制されているため、高温環境下での長期サイクル寿命や抵抗上昇率が改善した電池を提供することができる。更に水素イオン捕捉剤を含ませた場合、水素イオン補足剤による効果が従来の非水電解液二次電池よりも持続し、相乗的な効果を奏する。 A positive electrode active material for a secondary battery of the present invention Formula 1: Li 1 + x Mn 2 -xyzw Al y Co z Ca w O 4 (0.03 <x <0.25,0.01 <y <0 .2, 0.01 <z <0.2, 0 <w <0.1, x + y + z + w <0.4), the calcium-aluminum-cobalt-containing lithium-manganese composite oxide is excessively doped with lithium. In addition, the crystal structure is stabilized by substitution with aluminum, cobalt, and calcium, and elution of manganese, reaction with the electrolyte, oxygen release, and the like are suppressed as compared with the conventional lithium-manganese composite oxide. It is possible to provide a battery with improved long-term cycle life and resistance increase rate under a high temperature environment. Further, when a hydrogen ion scavenger is included, the effect of the hydrogen ion scavenger lasts longer than the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery and produces a synergistic effect.
リチウムマンガン複合酸化物を含有した正極の充放電サイクルに伴う容量劣化は、リチウムマンガン複合酸化物がリチウムの出入りに伴いMnイオンの平均価数が3価と4価の間で変化し、そのためJahn−Teller歪みが結晶中に生じてしまうこと、また、リチウムマンガン複合酸化物からのマンガンの溶出ないしはマンガンの溶出に起因するインピーダンス上昇、活物質粒子の遊離による不活性化、さらには含有水分により生成した酸の影響、リチウムマンガン複合酸化物からの酸素放出による電解液の劣化等が考えられている。
そこで、リチウムマンガン複合酸化物の構成元素の一部を置換することによってリチウムマンガン複合酸化物が有している特徴を維持し、充放電特性、特に充放電容量を向上し、さらに高温における長期高温充放電サイクル特性、長期保存特性、さらには低抵抗上昇率特性の改善が可能であることを見出したものである。
The capacity deterioration accompanying the charge / discharge cycle of the positive electrode containing the lithium manganese composite oxide is caused by the fact that the average valence of Mn ions changes between trivalent and tetravalent as the lithium manganese composite oxide enters and exits lithium. -Teller distortion occurs in the crystal, manganese elution from lithium manganese composite oxide or impedance rise due to manganese elution, inactivation due to release of active material particles, and generation by moisture content The influence of the acid produced, deterioration of the electrolyte solution due to the release of oxygen from the lithium manganese composite oxide, and the like are considered.
Therefore, by substituting some of the constituent elements of the lithium manganese composite oxide, the characteristics of the lithium manganese composite oxide are maintained, and the charge / discharge characteristics, particularly the charge / discharge capacity, are improved. It has been found that charge / discharge cycle characteristics, long-term storage characteristics, and low resistance increase rate characteristics can be improved.
本発明の二次電池用の正極活物質は、化学式1:Li1+xMn2-x-y-z-wAlyCozCawO4(0.03<x<0.25、0.01<y<0.2、0.01<z<0.2、0<w<0.1、x+y+z+w<0.4)で表されるカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物を含むことを特徴としている。
そして、化学式1の化合物において、充放電前の状態において、過剰にドープされたリチウムおよびコバルトはスピネル構造の格子定数を下げることにより結晶の安定化を図り、アルミニウムは3価の安定な酸化度を示すことで構造の安定化が図られているものと考えられる。
また、コバルトとアルミニウムで置換することにより、過剰にドープされた一部のリチウムも充放電の際に安定的に挿入脱離できることが可能となり、従来のリチウム過剰組成よりも高容量のリチウムマンガン複合酸化物を得ることができるものと考えられる。
更に、2価の安定な酸化度を示すカルシウムを添加することにより、充放電サイクルに伴う結晶格子の歪みを緩和させ、その結果、二次電池のサイクル特性を向上させることができたものと考えられる。
Positive electrode active material for a secondary battery of the present invention has the formula 1: Li 1 + x Mn 2 -xyzw Al y Co z Ca w O 4 (0.03 <x <0.25,0.01 <y <0 .2, 0.01 <z <0.2, 0 <w <0.1, x + y + z + w <0.4), and a calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide.
In the compound of Chemical Formula 1, in the state before charge and discharge, lithium and cobalt that are excessively doped stabilize the crystal by lowering the lattice constant of the spinel structure, and aluminum has a stable trivalent oxidation degree. It is considered that the structure is stabilized by showing.
In addition, by replacing with cobalt and aluminum, it becomes possible to insert and desorb some of the excessively doped lithium stably during charging and discharging, and a lithium-manganese composite with a higher capacity than the conventional lithium excess composition. It is considered that an oxide can be obtained.
Furthermore, it is considered that by adding calcium showing a stable bivalent oxidation degree, the distortion of the crystal lattice accompanying the charge / discharge cycle was relaxed, and as a result, the cycle characteristics of the secondary battery could be improved. It is done.
また、化学式1で示されるカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物において、過剰に存在するリチウム量を表すxは、xは、0.05以上で0.25より小さいことが好ましい。xが0.05より小さい場合には、自己放電による保存容量の減少が著しいため好ましくない。また、0.25以上である場合には、十分な充放電容量が得られないので好ましくない。
また、置換したアルミニウム量を示すyは、0.01よりも大きく0.2よりも小さいことが好ましい。yが0.01以下であると置換した効果が得られず、0.2以上である場合には充放電サイクルの過程において結晶構造内のアルミニウムが酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物として遊離し、結果として電極抵抗を上昇させるので好ましくない。
また、置換したカルシウム量を示すwは、0.005より小さい場合には置換した効果が得られず、0.1以上である場合には、充放電サイクルの過程において結晶構造内のカルシウムが酸化カルシウム等のカルシウム化合物として遊離し、結果として電極抵抗を上昇させるので好ましくない。
更に、また、x+y+z+wの合計が0.4以上である場合には、安定な結晶構造が得られなくなるので好ましくない。
In the calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide represented by Chemical Formula 1, x representing the amount of lithium present in excess is preferably 0.05 or more and less than 0.25. When x is smaller than 0.05, the storage capacity is significantly reduced due to self-discharge, which is not preferable. Moreover, when it is 0.25 or more, a sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained, which is not preferable.
Further, y indicating the amount of aluminum substituted is preferably larger than 0.01 and smaller than 0.2. When y is 0.01 or less, the effect of substitution cannot be obtained, and when it is 0.2 or more, aluminum in the crystal structure is liberated as an aluminum compound such as aluminum oxide in the course of the charge / discharge cycle. Since electrode resistance is raised, it is not preferable.
In addition, if w indicating the amount of substituted calcium is less than 0.005, the effect of substitution is not obtained, and if it is 0.1 or more, calcium in the crystal structure is oxidized in the course of the charge / discharge cycle. It is not preferable because it is liberated as a calcium compound such as calcium and as a result the electrode resistance is increased.
Furthermore, when the sum of x + y + z + w is 0.4 or more, a stable crystal structure cannot be obtained, which is not preferable.
次に、本発明の化学式1で示されるカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物の製造方法について説明する。
化学式1を構成するリチウム、マンガン、コバルト、アルミニウム、およびカルシウムの各金属成分を含有する化合物を目的の金属組成比となるように秤量して混合する。混合は、ボールミル、ジェットミルなどにより粉砕混合することができる。次いで、混合粉を600℃から950℃の温度で、空気中または酸素中で焼成することによって化学式1のカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物を得ることができる。
焼成温度は、それぞれの元素を拡散させるためには高温である方が望ましいが、焼成温度が高すぎると酸素欠損を生じ、電池特性に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、焼成温度は、650℃から850℃程度とするのが好ましい。
また、固体原料を利用することに代えて、各成分を含有する液体原料を用いてゾルゲル法、水熱合成などの方法によって製造することもできる。
Next, the manufacturing method of the calcium aluminum cobalt containing lithium manganese complex oxide shown by
A compound containing each metal component of lithium, manganese, cobalt, aluminum, and calcium constituting Chemical Formula 1 is weighed and mixed so as to have a target metal composition ratio. The mixing can be performed by pulverization and mixing with a ball mill, a jet mill or the like. Next, the mixed powder is calcined in air or oxygen at a temperature of 600 ° C. to 950 ° C. to obtain a calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide of Formula 1.
The firing temperature is preferably a high temperature for diffusing each element, but if the firing temperature is too high, oxygen deficiency may occur, which may adversely affect battery characteristics. For this reason, it is preferable that a calcination temperature shall be about 650 degreeC to 850 degreeC.
Moreover, it can replace with using a solid raw material and can also manufacture by methods, such as a sol gel process and hydrothermal synthesis, using the liquid raw material containing each component.
使用可能なリチウム原料としては、Li2CO3、LiOH、Li2O、Li2SO4等を用いることができるが、Li2CO3、LiOH等が適している。
マンガン原料としては、電解二酸化マンガン、化学合成二酸化マンガン、Mn2O3、Mn3O4等の種々のマンガン酸化物、MnCO3、MnSO4などを用いることができる。 コバルト原料としては、CoO、Co3O4、CoCl2、Co(OH)2、CoSO4、CoCO3、Co(NO3)2等が挙げられる。
アルミニウム原料としては、Al2O3、AlCl3、Al(OH)3、Al2(SO4)3、AlCO3、Al(NO3)3等を挙げることができる。
また、カルシウム原料としては、CaO、Ca(OH)2、CaCl2、Ca(NO3)2、CaCO3等を挙げることができる。
Li 2 CO 3 , LiOH, Li 2 O, Li 2 SO 4 and the like can be used as the lithium raw material that can be used, and Li 2 CO 3 , LiOH, and the like are suitable.
As the manganese raw material, electrolytic manganese dioxide, chemically synthesized manganese dioxide, various manganese oxides such as Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 , MnCO 3 , MnSO 4 and the like can be used. Examples of the cobalt raw material include CoO, Co 3 O 4 , CoCl 2 , Co (OH) 2 , CoSO 4 , CoCO 3 , and Co (NO 3 ) 2 .
Examples of the aluminum raw material include Al 2 O 3 , AlCl 3 , Al (OH) 3 , Al 2 (SO 4 ) 3 , AlCO 3 , and Al (NO 3 ) 3 .
Examples of the calcium raw material include CaO, Ca (OH) 2 , CaCl 2 , Ca (NO 3 ) 2 , and CaCO 3 .
マンガン原料や、置換元素原料は、焼成時に元素拡散が起こり難い場合があり、原料焼成後、マンガン酸化物、置換元素酸化物が異相として残留してしまうことがある。このような問題を避けるためには、コバルト原料、マンガン原料、アルミニウム原料、カルシウム原料を水溶液中に溶解混合させた後、水酸化物、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩などの形で析出させたコバルト化合物、マンガン化合物、アルミニウム化合物、カルシウム化合物や、これらの置換元素を含む化合物の混合物を原料として用いて良い。
また、これらの化合物、あるいはその混合物を酸化性雰囲気において焼成することによって得られた酸化物あるいは混合酸化物を用いても良い。特にあらかじめ化合物を混合した後に酸化物とした混合酸化物は、マンガン、コバルト、アルミニウム、カルシウムの各化合物の分散が良好であるので、スピネル構造の16dサイトへのコバルト、アルミニウム、カルシウムの導入を効果的に行うことができる。
Manganese raw materials and substitutional element raw materials may hardly cause element diffusion during firing. After firing the raw materials, manganese oxides and substitutional element oxides may remain as different phases. In order to avoid such problems, cobalt raw material, manganese raw material, aluminum raw material, calcium raw material is dissolved and mixed in an aqueous solution, and then precipitated in the form of hydroxide, sulfate, carbonate, nitrate, etc. A compound, a manganese compound, an aluminum compound, a calcium compound, or a mixture of compounds containing these substitution elements may be used as a raw material.
Moreover, you may use the oxide obtained by baking these compounds, or its mixture in oxidizing atmosphere, or mixed oxide. In particular, mixed oxides that have been pre-mixed with the compound to form oxides have good dispersion of manganese, cobalt, aluminum, and calcium compounds, so the introduction of cobalt, aluminum, and calcium into the 16d site of the spinel structure is effective. Can be done automatically.
得られたカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物の比表面積は1.5m2/g以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.9m2/g以下である。比表面積が大きいほど、結着剤が多く必要となり、正極活物質の容量密度の点で不利になることがある。 The specific surface area of the obtained calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide is preferably 1.5 m 2 / g or less, more preferably 0.9 m 2 / g or less. The larger the specific surface area, the more binder is required, which may be disadvantageous in terms of the capacity density of the positive electrode active material.
以下に図面を参照して本発明の非水電解液電池二次電池を説明する。
図1は、非水電解液二次電池の一実施態様を説明する図であり、断面図である。
非水電解液二次電池1は、可撓性の外装材からなる電池外装容器2によって封口されており、その内部には電池要素3が配置されている。電池要素3は、正極集電体11上に正極活物質含有層12を形成した正極電極4と、負極集電体13上に負極活物質含有層14を形成した負極電極5がセパレータ6を介して対向して配置されており、電池要素3は、非水電解液7に浸漬されている。また、正極電極4および負極電極5は、正極端子8および負極端子9に接続されている。
The nonaqueous electrolyte battery secondary battery of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a non-aqueous electrolyte secondary battery.
The non-aqueous electrolyte
以下に、本発明の電池の製造方法の一実施態様を説明する。
正極電極の作製
所定の配合割合の酸化物から合成したカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物に、カーボンブラック等の導電性付与材およびバインダーと共に、バインダーを溶解しうる溶剤を含んだ分散媒で混合してスラリを形成する。
導電性付与材としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、炭素繊維等を用いることができる。また、バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。
次いでスラリを、アルミニウム、チタン等の集電体11上に塗布して正極活物質含有層12を形成した後、溶剤を乾燥によって除去した後に、ロール等により圧縮して正極電極4が得られる。
Hereinafter, one embodiment of the method for producing a battery of the present invention will be described.
Preparation of positive electrode Mixed with calcium aluminum cobalt-containing lithium-manganese composite oxide synthesized from an oxide of a specified blending ratio, with a conductivity-imparting material such as carbon black and a binder, and a dispersion medium containing a solvent capable of dissolving the binder To form a slurry.
As the conductivity imparting material, carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, carbon fiber, or the like can be used. As the binder, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or the like can be used.
Next, the slurry is applied on a current collector 11 such as aluminum or titanium to form the positive electrode active material-containing layer 12, and then the solvent is removed by drying, followed by compression with a roll or the like to obtain the positive electrode 4.
負極の作製
負極活物質はリチウム金属または炭素材料等のリチウムを吸蔵、放出できる材料により構成されている。炭素材料としては、リチウムを吸蔵する黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなど、あるいはこれらの混合物を用いることができる。
炭素材料からなる負極活物質の場合には、炭素材料とポリフッ化ビニリデン等の結着剤を混合し、N−メチル−2−ピロリドン等の溶剤中に分散混錬し、これを銅箔等の負極集電体13上に塗布負極活物質含有層14を形成した後に、乾燥しロール等で圧縮することによって負極電極5が得られる。
Production of Negative Electrode The negative electrode active material is made of a material that can occlude and release lithium, such as lithium metal or carbon material. As the carbon material, graphite that occludes lithium, amorphous carbon, diamond-like carbon, fullerene, carbon nanotube, carbon nanohorn, or a mixture thereof can be used.
In the case of a negative electrode active material made of a carbon material, a carbon material and a binder such as polyvinylidene fluoride are mixed, dispersed and kneaded in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, and this is mixed with copper foil or the like. After forming the coated negative electrode active material-containing
また、セパレータ6としては、織布、不織布、多孔膜等を用いることができる。特にポリプロピレン、ポリエチレン系の多孔膜が薄膜でかつ大面積化、膜強度や膜抵抗の面で好ましい。
Moreover, as the
また、非水電解液7は、非水溶媒に支持塩を溶解したものが用いられる。溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1、2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1、3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1、3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1、3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、フッ素化カルボン酸エステルなどの非プロトン性有機溶媒を一種又は二種以上を混合して使用できる。このうち、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどを単独もしくは混合して用いることが好ましい。 In addition, the nonaqueous electrolytic solution 7 is obtained by dissolving a supporting salt in a nonaqueous solvent. Solvents include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC). ), Chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate, γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2-ethoxyethane ( DEE), chain ethers such as ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylformua Imide, dioxolane, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2- Aprotic organic solvents such as oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone, fluorinated carboxylic acid esters, etc. can be used singly or in combination. . Of these, propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyl lactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and the like are preferably used alone or in combination.
これらの有機溶媒に溶解する支持塩としてはリチウム塩を挙げることができる。リチウム塩としては、例えばLiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9CO3、LiC(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiClやイミド類などがあげられる。また、電解液に代えてポリマー電解質を用いてもよい。電解質濃度は、たとえば0.5mol/lから1.5mol/lとする。濃度が高すぎると密度と粘度が増加する。濃度が低すぎると電気伝導率が低下することがある。 Examples of the supporting salt dissolved in these organic solvents include lithium salts. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 CO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic carboxylic acid lithium carboxylate, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, imides, etc. can give. Further, a polymer electrolyte may be used instead of the electrolytic solution. The electrolyte concentration is, for example, 0.5 mol / l to 1.5 mol / l. If the concentration is too high, density and viscosity increase. If the concentration is too low, the electrical conductivity may decrease.
本発明の非水電解液二次電池は、乾燥空気、窒素、または不活性ガス雰囲気において、正極電極4および負極電極5を、セパレータ6を介して積層した電池要素3を、電池外装容器2に収納して、電解液7を含浸させた後、電池外装容器2を封口することで得られる。
図1では、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した電池要素を用いた例について説明したが、帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介したものを巻回したものであっても良い。また、アルミニウム箔等の金属箔の両面にポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエステルフィルム等を積層した可撓性の外装フィルムを用いたものに限らず、コイン型、角型、円筒型等の各種の形状とすることができる。
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises a battery element 3 in which a positive electrode 4 and a
Although the example using the battery element in which the positive electrode and the negative electrode are laminated via the separator has been described with reference to FIG. 1, the belt-shaped positive electrode and the negative electrode may be wound around the separator. . Moreover, not only the thing using the flexible exterior film which laminated the polyethylene film, the polypropylene film, the polyamide film, the polyester film etc. on both surfaces of metal foils, such as aluminum foil, but a coin type, a square type, a cylindrical type, etc. Various shapes can be used.
また、本発明の非水電解液二次電池用正極には、本発明のカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物に加えて、電解液中の水分と電解質との反応によって生成する水素イオンを捕捉する水素イオン捕捉剤としての作用を有する特許第2996234号に記載のリチウムニッケル複合酸化物を含有しても良い。
水素捕捉剤として添加するリチウムニッケル複合酸化物は正極活物質としての作用を果たすので、水素捕捉剤の添加によって本発明のカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物の配合量が減少しても、リチウムニッケル複合酸化物が正極活物質としての作用を果たすので容量の減少を防止することができる。
特に本発明の水素捕捉剤として、LiNi0.8Co0.2O2 で表されるリチウムニッケルコバルト複合酸化物は、本発明の正極活物質と組み合わせた場合には特性改善効果が相乗的に得られる。リチウムニッケルコバルト複合酸化物を配合する場合には、正極電極中の複合酸化物の全体の量の3質量部以上を添加することが好ましい。
In addition to the calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide of the present invention, the positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention captures hydrogen ions generated by the reaction between the water in the electrolyte and the electrolyte. The lithium nickel composite oxide described in Japanese Patent No. 2996234 having an action as a hydrogen ion scavenger may be contained.
Since the lithium nickel composite oxide added as a hydrogen scavenger functions as a positive electrode active material, even if the amount of the calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide of the present invention decreases due to the addition of the hydrogen scavenger, lithium Since the nickel composite oxide serves as a positive electrode active material, a decrease in capacity can be prevented.
In particular, when the lithium nickel cobalt composite oxide represented by LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 is combined with the positive electrode active material of the present invention as a hydrogen scavenger of the present invention, a characteristic improvement effect can be obtained synergistically. When mix | blending lithium nickel cobalt complex oxide, it is preferable to add 3 mass parts or more of the whole quantity of complex oxide in a positive electrode.
このような水素イオン捕捉剤の存在により、二次電池内の水素イオンの濃度を減少させるなど種々の作用が発生し、電解質の分解・劣化が抑制され、その結果、二次電池の高温におけるサイクル寿命と容量保存特性、低抵抗特性、低抵抗上昇率特性を改善することができるものと考えられる。 Due to the presence of such a hydrogen ion scavenger, various actions such as reducing the concentration of hydrogen ions in the secondary battery occur, and the decomposition and deterioration of the electrolyte are suppressed. As a result, the secondary battery is cycled at high temperatures. It is considered that the life and capacity storage characteristics, low resistance characteristics, and low resistance increase characteristics can be improved.
以下に本発明の実施例、比較例を示して本発明を説明する。
実施例1
リチウムマンガン金属置換複合酸化物の合成
個数平均粒径5μmに粉砕、分級した炭酸リチウム(Li2CO3)と、個数平均粒径10μmに粉砕、分級した酸化マンガン、酸化コバルト、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウムを所定の比率で調合し、遊星型ボールミルにより2時間混合した後、得られた混合物を坩堝に入れ、空気中、800℃で一次焼成した。次いで、この一次焼成物を解砕し、再混合した後に空気中、600℃で二次焼成した。
The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples of the present invention.
Example 1
Synthesis of Lithium Manganese Metal-Substituted Composite Oxide Lithium Carbonate (Li 2 CO 3 ) Ground and Classified to a Number Average Particle Size of 5 μm, and Manganese Oxide, Cobalt Oxide, Aluminum Hydroxide, Water, Ground and Classified to a Number Average Particle Size of 10 μm Calcium oxide was prepared at a predetermined ratio and mixed for 2 hours by a planetary ball mill, and the obtained mixture was put in a crucible and subjected to primary firing at 800 ° C. in air. Next, the primary fired product was crushed and remixed, followed by secondary firing in air at 600 ° C.
次いで、得られた焼成物を、粉砕機(石川式撹拌雷潰機)を用いて粉砕することにより、表1に、化学式1において、x、y、zおよびwの値、およびそれぞれの化学式を示す、スピネル構造を有する個数平均粒径10μmの試料1ないし9の化学式1で示すカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物、および比較資料1−9を得た。
Next, the obtained fired product was pulverized using a pulverizer (Ishikawa stirring lightning pulverizer), so that in Table 1, the values of x, y, z, and w in
また、得られた粉末状の複合酸化物を、CuKα線を用いてX線回折測定を行った。図2は、試料1の正極活物質としたカルシウムアルミニウムコバルト含有リチウムマンガン複合酸化物のX線回折パターンと、比較のためにLiMn2O4(戸田工業株式会社製)について同様に測定した結果を示した図である。
また、図2に示すように、空間群R−3mで指数付けが可能な回折パターンが得られ、JCPDS(#35−782)と比較した結果、合成した粉末はスピネル構造を有していることを確認した。また、詳細に検証した結果、合成した粉末には異相は見られないことを確認した。更に、試料2から試料9および比較試料1から比較試料13においても同様にX線回折測定を行い、合成した粉末がスピネル構造を有しており、異相がみられないことを確認した。
Further, the obtained powdery composite oxide was subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα rays. FIG. 2 shows the X-ray diffraction pattern of the calcium aluminum cobalt-containing lithium manganese composite oxide used as the positive electrode active material of
Further, as shown in FIG. 2, a diffraction pattern that can be indexed in the space group R-3m is obtained, and as a result of comparison with JCPDS (# 35-782), the synthesized powder has a spinel structure. It was confirmed. As a result of detailed verification, it was confirmed that no heterogeneous phase was observed in the synthesized powder. Further, X-ray diffraction measurement was performed in the same manner for
マンガン溶出試験
得られた試料あるいは比較試料の5gと濃度1mol/LのLiPF6を含むプロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとの容積比50:50の電解液10mlを密閉容器に入れた。次いで、各密閉容器を80℃に加熱した恒温槽において20日間保持した後に、電解液中に溶出したマンガン濃度をICP発光分光分析法にて分析した結果を表2に示した。
電池の作製
試料1の化学式1の複合酸化物、および導電性付与剤としてカーボンブラックを乾式混合し、バインダーとしてフッ化ビニリデンを溶解させたN−メチル−2−ピロリドン中に均一に分散させスラリーを作製した。
得られたスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布後、乾燥して溶剤を除去して膜厚88μmの正極電極を得た。正極電極中の固形分比率は質量比で、正極活物質:導電性付与剤:PVDF=89:4:7であった。
Preparation of Battery A composite oxide of the
The obtained slurry was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm and then dried to remove the solvent to obtain a positive electrode having a thickness of 88 μm. The solid content ratio in the positive electrode was a mass ratio, and was positive electrode active material: conductivity imparting agent: PVDF = 89: 4: 7.
一方、黒鉛:PVDF=90:10(質量比)の比率で混合しN−メチル−2−ピロリドンに分散し、厚さ10μmの銅箔上に塗布して膜厚49μmの負極電極を作製した。負極電極と正極電極とをポリエチレンからなるセパレータを介して積層して巻回して円筒型容器に収納して濃度1mol/LのLiPF6を含むプロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとの容積比50:50の電解液を注入して、試料電池1ないし試験電池9および比較試験電池1ないし比較試験電池9を作製した。
On the other hand, graphite: PVDF = 90: 10 (mass ratio) was mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone, and applied onto a 10 μm thick copper foil to prepare a 49 μm thick negative electrode. An electrolyte solution having a volume ratio of 50:50 of propylene carbonate and dimethyl carbonate containing LiPF6 at a concentration of 1 mol / L, which is formed by laminating and winding a negative electrode and a positive electrode through a separator made of polyethylene and storing them in a cylindrical container. The
高温サイクル特性
得られた各試験電池および比較試験電池を温度65℃において、充電レート1.0C、充電終止電圧4.3Vの条件で、電池電圧が4.3Vに到達後、定電圧充電を1.5時間行って充電した後、放電終止電圧2.5Vまで放電レート1.0Cで放電する充放電試験を行って、10サイクル目の放電容量(mAh)に対する100サイクル目の放電容量(mAh)の比を容量維持率として百分率で表2に示した。
また、同時に正極活物質中のマンガンの価数変化より算出した1g当りの理論放電容量(mAh)を記載した。
High-temperature cycle characteristics Each of the obtained test batteries and comparative test batteries at a temperature of 65 ° C. under the conditions of a charge rate of 1.0 C and a charge end voltage of 4.3 V, the battery voltage reached 4.3 V, and then the constant voltage charge was 1 After 5 hours of charging, a charge / discharge test was conducted to discharge at a discharge rate of 1.0 C up to a final discharge voltage of 2.5 V, and the discharge capacity (mAh) at the 100th cycle relative to the discharge capacity (mAh) at the 10th cycle. The ratio is shown in Table 2 as a percentage of capacity retention.
At the same time, the theoretical discharge capacity per 1 g (mAh) calculated from the change in the valence of manganese in the positive electrode active material is shown.
実施例2
実施例1において作製した各試験用の二次電池について、以下の評価方法によって内部直流抵抗の変化を測定してその結果を表3に示す。
内部直流抵抗の測定
温度20℃において、充電レート0.5Cで4.3Vまで充電を行い、4.3Vに到達後、定電圧充電を2時間行って充電した。充電後の電池を0.1Cで放電深度50%まで放電させた後、1Cの放電レートで10秒間放電させたときの電圧を測定した。
Example 2
Table 3 shows the results of measuring the change in internal DC resistance of the secondary batteries for testing produced in Example 1 by the following evaluation method.
Measurement of internal DC resistance At a temperature of 20 ° C., the battery was charged to 4.3 V at a charge rate of 0.5 C. After reaching 4.3 V, constant voltage charging was performed for 2 hours for charging. The discharged battery was discharged at 0.1 C to a discharge depth of 50%, and then the voltage when discharged at a discharge rate of 1 C for 10 seconds was measured.
続いて10分間放置後、3C充電レートで10秒間充電した時の電圧を測定した。更に10分間放置後5Cの放電レートで10秒間放電した時の電圧を測定し、再度10分間放置後3Cの充電レート10秒間充電した時の電圧を測定した。
その後、10分間隔で、充放電レートを7Cならびに10Cとして同様な繰り返し測定を行い、電流−電圧直線を求め、このときの直線の傾斜を初期内部直流抵抗とした。また、内部抵抗を測定後の試験電池を放電深度60%の状態に調整した後、55℃の恒温槽内で4週間保存した。その後、上記と同様に内部直流抵抗の保存後の内部直流抵抗測定を行い、保存後の内部直流抵抗測定と初期内部直流抵抗の比を抵抗上昇率として表3に示した。
Subsequently, after being allowed to stand for 10 minutes, the voltage when charged at a 3C charging rate for 10 seconds was measured. Further, the voltage was measured when the battery was discharged for 10 seconds at a discharge rate of 5 C after being left for 10 minutes, and the voltage was measured when the battery was charged again for 10 seconds at a charge rate of 3 C after being left again for 10 minutes.
Thereafter, at 10-minute intervals, the charge / discharge rate was set to 7C and 10C, and the same measurement was repeated to obtain a current-voltage straight line. The slope of this straight line was defined as the initial internal DC resistance. Moreover, after adjusting the test battery after measuring internal resistance to the state of 60% of the depth of discharge, it preserve | saved for four weeks in a 55 degreeC thermostat. Thereafter, the internal DC resistance measurement after storage of the internal DC resistance was performed in the same manner as described above, and the ratio of the internal DC resistance measurement after storage and the initial internal DC resistance was shown in Table 3 as the rate of increase in resistance.
以上の試験結果から、本発明の試料1ないし9に示す様にリチウム過剰であって、アルミニウム、コバルトおよびカルシウムが置換されている複合酸化物は、対応する比較試料のように、アルミニウム、コバルトおよびカルシウムのいずれかが置換されていないものを用いた試験電池に比べて容量維持率、マンガン溶出量において優れている。
これは、リチウムマンガン複合酸化物のマンガンの一部をアルミニウム、コバルトおよびカルシウムの4種の元素で同時に置換した場合には、過剰のリチウムおよびコバルトはスピネル構造の格子定数を下げることにより結晶の安定化を図り、アルミニウムは3価の安定な酸化度を示すことで構造の安定化を図り、2価の安定な酸化度を示すカルシウムは、充放電サイクルに伴う結晶格子の歪みを緩和させているため、従来のリチウムマンガン複合酸化物組成よりも高い容量維持率を示すとともにマンガンの溶出量、抵抗増加率においても優れた効果が得られたものと考えられる。
From the above test results, as shown in
This is because, when a part of manganese in the lithium manganese composite oxide is simultaneously replaced with four elements of aluminum, cobalt, and calcium, the excess lithium and cobalt stabilize the crystal by lowering the lattice constant of the spinel structure. The structure of aluminum is stabilized by showing a trivalent stable oxidation degree, and calcium showing a stable bivalent oxidation degree relaxes the distortion of the crystal lattice accompanying the charge / discharge cycle. For this reason, it is considered that the capacity retention rate was higher than that of the conventional lithium manganese composite oxide composition, and excellent effects were obtained in the elution amount of manganese and the resistance increase rate.
実施例3
試験電池1において、正極活物質として使用した試料1の一部をリチウムニッケルコバルト複合酸化物であるLiNi0.8Co0.2O2によって配合比を変えて置き換えた点を除き実施例1と同様にして試験電池10ないし15を作製した。
また、比較試験電池1において、正極活物質として使用した比較試料1の一部をリチウムニッケルコバルト複合酸化物であるLiNi0.8Co0.2O2によって配合比を変えて置き換えた点を除き実施例1と同様にして比較試験電池14ないし19を作製した。
更に、試験電池1において、正極活物質として使用した試料1の一部を水素イオン補足剤としての効果を有しないリチウムコバルト酸化物であるLiCoO2 によって配合比を変えて置き換えた点を除き実施例1と同様にして比較電池20から25を作製した。
実施例1と同様に充放電試験を行って1000サイクル後の容量維持率を測定して、試料1、あるいは比較試料1に対して混合したリチウムニッケルコバルト複合酸化物の試料1あるいは比較試料1との合計量に対する質量比を表4および表5に百分率で示した。
また、試験電池13と比較試験電池13についての65℃における高温サイクル試験結果を図3に示す。
Example 3
The
Further, in the
Further, in the
A charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 to measure the capacity retention rate after 1000 cycles, and the
Moreover, the high-temperature cycle test result in 65 degreeC about the test battery 13 and the comparison test battery 13 is shown in FIG.
本発明のカルシウム・アルミニウム・コバルト含有リチウム・マンガン複合酸化物は、マンガンの溶出が抑制させられているため、水素イオン補足剤として配合したLiNi0.8Co0.2O2の効果がより顕著に奏するものと考えられる。 Since the calcium-aluminum-cobalt-containing lithium-manganese composite oxide of the present invention has suppressed elution of manganese, the effect of LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 blended as a hydrogen ion scavenger is more pronounced. Conceivable.
リチウム過剰ドープするとともに、アルミニウム、コバルト、カルシウム添加により結晶構造の安定化が図られリチウムマンガン複合酸化物であるため、マンガン溶出や電解液との反応や酸素放出等が従来のリチウム・マンガン複合酸化物よりも抑制されており、高温環境下での長期サイクル寿命や抵抗上昇率が改善した電池を提供することができる。 Lithium overdoping and the addition of aluminum, cobalt, and calcium stabilize the crystal structure and make it a lithium manganese composite oxide. Thus, it is possible to provide a battery which is suppressed more than a product and has improved long-term cycle life and resistance increase rate under a high temperature environment.
1…非水電解液二次電池、2…電池外装容器、3…電池要素、4…正極電極、5…負極電極、6…セパレータ、7…非水電解液、8…正極端子、9…負極端子、11…正極集電体、12…正極活物質含有層、13…負極集電体、14…負極活物質含有層
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